Tutkimus

Kvanttifotoniikan alalla on tehty merkittävä löytö

Marco Ornigotti
Marco Ornigottin mukaan PT-symmetrian avulla valoa voidaan kontrolloida uudella tavalla.
Tutkijat ovat todistaneet kokeellisesti, että kvanttifotoniikkaa voidaan tehdä laajemmissa kvanttimekaniikan ympäristöissä, kuin aiemmin on uskottu.

Kvanttifysiikan maailmassa on viime vuosina otettu suuria edistysaskelia PT-symmetrian avulla. PT-symmetria laajentaa perinteistä hermeettisyydelle perustuvaa kvanttimekaniikkaa tarjoamalla uuden viitekehyksen, jonka avulla tutkijat tarkastella useampia systeemejä kvanttimekaniikan keinoin.

– Viimeisten 20 vuoden aikana kvanttimekaniikassa on tutkittu paljon uudenlaista kvanttimekaniikan osa-aluetta: PT-symmetriaa. Tätä aihepiiriä on tutkittu sen löytymisestä saakka, mutta aiemmin emme ole koskaan ajatelleet, että tämä teorian laajennus voisi vaikuttaa asioiden kvanttiluonteeseen, tenure track –tutkija Marco Ornigotti sanoo.

Uusi tutkimus vastaa kahteen kysymykseen, jotka ovat keskeisiä kvanttimekaniikalle: Ovatko kvanttimaailman ilmiöt, erityisesi HOM-interferenssi, mahdollisia PT-symmetrisissä systeemeissä? Käyttäytyvätkö kvanttisysteemit samalla tavalla PT-symmetrian piirissä?

– Hyödynsimme hyvin perustavanlaatuista valon kvanttiominaisuutta, kahden fotonin interferenssiä, osoittaaksemme ensimmäistä kertaa, että pelkästään se, että valo kulkee PT-symmetrisessä ympäristössä, verrattuna perinteiseen, hermeettiseen systeemiin, saa fotonit pakkautumaan yhteen aiemmin kuin oletimme, Ornigotti toteaa.

Kokeelliset mittaukset suoritettiin Saksassa Rostockin yliopistossa. Ornigotti nostaa esiin entisen kollegansa, fyysikko Alexander Szameitin merkittävän panoksen.

– Hänen roolinsa tässä tutkimuksessa on ollut iso, Ornigotti sanoo.

PT-symmetriaa tutkitaan nykyisin pääasiassa fotoniikan alalla, mutta sitä on hyödynnetty esimerkiksi suprajohtavien materiaalien ja laserien kehitystyössä.

Kvanttimaailmassa fotoneita ei voi erottaa toisistaan

Tutkimuksen koeasetelma perustui tunnettuun Hong-Ou-Mandel-efektiin.

– Käytännössä kaksi fotonia yhdistetään säteenjakajan sisällä. Voidaksemme tarkkailla niiden kvantti-interferenssiä säteenjakajan molemmille ulostuloille asennetaan valoilmaisimet, Ornigotti toteaa.

Yksi kvanttimaailman arkijärkeä haastavista havainnoista on se, että laitteen sisällä toisensa kohtaavat fotonit tulevat ulos laitteesta aina yhdessä. Eli vaikka ne aluksi kulkevat eri reittiä pitkin, matkan aikana ne lyöttäytyvät yhteen ja poistuvat säteenjakajasta samaa reittiä. Tämä ilmiö, joka tunnetaan nimellä fotonien ryhmittyminen, on HOM-efektin keskiössä.

Kun fotoni saapuu ilmaisimeen, ilmaisin päästä pienen äänen. Jos molemmat ilmaisimet tuottavat äänen yhtä aikaa, fotonit poistuivat säteenjakajan sisältä eri reittejä. Tämä tarkoittaa, että ne ovat erotettavissa toisistaan.

– Mutta jos toinen ilmaisin päästä äänen ja toinen ei, voimme olla varmoja siitä, että fotonit ovat erot erotettavissa toisistaan. Toisin sanoen ne ovat niputtuneet yhteen. Tässä tapauksessa kahden fotonin kvanttiominaisuudet ovat nähtävissä, ja juuri tätä tapausta tarkastelimme tutkimuksessa, Ornigotti kertoo.

Ilmiö voidaan havaita vain silloin, kun fotonit aloittavat matkansa säteenjakajan sisällä yhtä aikaa.

– Voimme helposti erottaa fotonit toisistaan, jos ne eivät aloita matkaansa yhtä aikaa, Ornigotti toteaa.

PT-symmetria muuttaa fotonien käyttäytymistä

Tutkijat testasivat HOM-interferenssiä käyttämällä PT-symmetristä säteenajakaa, joka koostuu kahdesta valokanavasta: toisessa kanavassa on häviöitä, toisessa ei.

– Tässä vaiheessa havaitsimme jotain kiinnostavaa. Heti kun fotonit aloittivat matkansa häviöitä sisältävässä ympäristössä, niiden käytös muuttui ja ne ryhmittyivät yhteen aiemmin, Ornigotti kertoo.

HOM-efektiä voidaan tutkia myös säteenjakajassa, joka perustuu perinteiselle hermeettiselle kvanttimekaniikalle.

– Tässä ei ole mitään uutta, tällaista tutkimusta tehdään kaiken aikaa. Mutta jos toistamme kokeen PT-symmetrisellä säteenjakajalla, kuten me teimme tässä tutkimuksessa, fotonit ryhmittyvät yhteen pienemmässä mittakaavassa, Ornigotti toteaa.

Ilmiö voidaan kuitenkin osoittaa vain tarkasti suunnitelluissa oloissa.

– Mikä tahansa häviöitä sisältävä systeemi ei kelpaa. Koeasetelma täytyy suunnitella tarkkaan, jotta se on PT-symmetrinen, Ornigotti toteaa.

Valolla toimiva kvanttitietokone mullistaisi maailman

Kvanttifotoniikan perustutkimuksella voi lähitulevaisuudessa olla mullistavia vaikutuksia muun muassa tietokoneteknologiassa. Nykyiset tietokoneet perustuvat elektronien liikkeelle. Tulevaisuudessa voimme mahdollisesti luoda kvanttitietokoneen, joka perustuu fotoneihin eli valoon, jonka avulla tietokone käsittelisi informaatiota.

Tämä ratkaisisi monia nykyisin kvanttitietokoneisiin liittyviä teknologisia ja taloudellisia haasteita. Nykyiset kvanttitietokoneet ovat äärimmäisen herkkiä ulkoisille häiriöille, minkä takia ne täytyy eristää ympäristöstään ja jäähdyttää lähellä absoluuttista nollapistettä. Tämän takia kvanttitietokoneet ovat erittäin kalliita.

– Jos onnistumme luomaan valolla toimivan kvanttitietokoneen, kyseessä olisi vastaavanlainen mullistus kuin elektroniikka ja perinteiset tietokoneet olivat muutama vuosikymmen sitten. Tällainen kvanttitietokone toimisi huoneenlämmössä ja se olisi helppoa muokata massatuotantoa varten. Tutkimuksessamme osoitimme nyt ensimmäistä kahden partikkelin kvantti-interferenssin PT-symmetrisessä systeemissä. Tätä löytöä voidaan tulevaisuudessa ehkä hyödyntää kvanttitietokoneissa, Ornigotti kertoo.

 

Teksi ja kuva: Jaakko Kinnunen

 

Linkki artikkeliin

Uusimmat uutiset kategoriassa Tutkimus

Uusimmat uutiset